【文章內容簡介】 字信號產生影響 [14]。 電壓或電流源是以一種通或 斷 的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。 當導通時 ， 直流供電被加到負載上， 當關 斷時 ， 供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用 PWM 進行編碼。多數負載無論是電感性負載還是電容性負載 都 需要的調制頻率高于 10Hz，通常調制頻率為 1kHz 到 200kHz 之間。 （五）電動機測速電路 圖 113 電動機測速電路 當電動機轉動時，帶動光電碼盤轉動 ，發(fā)光元件發(fā)出的光經過光電碼盤時，由于碼盤是由多個格子組成的，所以碼盤轉動時，在光敏元件會產生多個矩形脈沖，如上圖所示，我們通過在一定的時間 T 內測量脈沖的個數 N，以及碼盤的精度 P（多少格的碼盤）就可以計算出電動機的轉速 Vr[15]。其轉速 : Vr=(N/P)/T 電動機測速電路采用光電編碼盤和紅外光電對管組成，紅外光電對管其原理如下圖所示： 圖 114 光電碼盤編碼原理 通過電動機測速電路，單片機可以實時的判斷電動機電路是否正常工作，若測得電動機轉速過低或者為零 ，則證明電動機堵轉或者異常，此時單片機可以控制電動機停轉來保護電動機并發(fā)出報警，在數碼管上顯示。 (六 ) 數碼管顯示電路 圖 115 數碼管顯示電路 . 實時顯示狀態(tài) 顯示電路為四位數碼管，用來顯示實時 電動機轉速 。通過數碼管上的顯示，我們可以清楚的 判斷電動機的轉速情況 。 . 數碼管顯示分析 在實際的單片機系統(tǒng)中，往往需要多位顯示。動態(tài)顯示應用非常廣泛是一種最常見的多位顯示方法。 用數碼管顯示測得的數據，數碼管有 8 段而每段必需占用一個單片機的 IO口，所以一位數碼管必須占 8 個單片機 IO 口，本次 設計采用 4 位數碼管，則需要 12 個 I/O 口，而 89C52 單片機的 I/O 口只有 32 個。動態(tài)顯示能夠很好的解決數碼管占用單片機 IO 口過多的問題。 所有數碼管的段選全部連接在一起，如何能顯示不同的內容呢？動態(tài)顯示的原理是多位數碼管，交替來進行顯示，利用人的視覺暫留效果使人看到好像有多個數碼管同時顯示。 在編程時，要用單片機控制段選和位選，所謂的位選是選中其中一個數碼管，然后利用單片機輸出段碼，需要顯示的數字就能顯示在這位數碼管上了，延時一段時間后，再選中另一個數碼管，再輸出對應的段碼，高速交替。 在動態(tài)顯示程序 中，各個位的延時時間長短是非常重要的，如果延時時間長，則會出現閃爍現象；如果延時時間太短，則會出現顯示發(fā)暗且有重影。 靜態(tài)驅動就是給單獨每一個 LED 供電。這樣每個 LED 都有足夠的電流，亮度也相應的比較高。 動態(tài)掃描驅動就是把本來供給一個 LED 燈的電流，同時分給了 N 個燈，所以它的亮度會有所降低。當然在同時供給兩個 led 燈電流時不是平均的分配電流，而是 led 間掃描期間電流不斷地交替，掃描的頻率依據單片機的速度決定，也就是說各位的數碼管上的電流在掃描頻率內是供個其中一個 led，在下一個掃描頻率內是供給了另一個 led。 由上面的分析可以得到限流電阻 R 的值 1L E DL E DUURIN??? 若我們想讓這個 4位數碼管的每段工作時的電流為 電壓取 。則我們可以得出限流電阻的取值為 5 1 . 7 1 = 1 0 3 . 1 2 5 1 0 00 . 0 0 8 4R ?? ? ? ? 所以我們選取 100 歐的限流電阻。這樣每個 LED 工作時的電流約為 保證 LED 能亮的同 時不會被燒壞。 根據上面的計算可得每位數碼的電流為 64mA,8550 的集電極電流最大可達，完全滿足設計要求。由于單片機最大的拉電流一般約為 25mA,所以必須串一個 1K 的限流電阻，此處的三極管相當于開關作用，控制各位數碼管的開關。 （七）按鍵電路 按鍵共 5 個，當按鍵未按時，單片機接收到的是高電平，當按鍵按下時連接單片機的引腳電平被拉低，單片機通過判斷引腳電平的變化來確定有無按鍵按下。由于是機械按鍵，所以會有機械抖動問題，導致在按一下時，會引起單片機多次的誤觸發(fā)，所以我們在程序中必須要加一定的延時來 去掉抖動。 圖 116 按鍵電路 按鍵 1 是速度加，按鍵 2 是速度減，按鍵 3 是正反轉切換，按鍵 4 是電機停止。 二、 軟件設計 （一）軟件總流程圖 開 始初 始 化按 鍵 按 下讀 取 按 鍵值電 機 啟 動輸 出 默 認轉 速轉 速 減按 鍵 按 下轉 速 加按 鍵 按 下停 止按 鍵 按 下增 大 P W M占 空 比減 小 P W M占 空 比設 定 P W M占 空 比 為 0Y E SY E SY E SY E SY E SN ON ON ON ON O測 量 轉 速顯 示 當 前轉 速 圖 21 軟件總流程圖 本次畢業(yè)設計主要在 Keil C51 下采用 C 語言來編寫程序。 Keil C51 是美國Keil Software 公司出品的 51 系列兼容單片機 C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C 語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。Keil 提供了包括 C 編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發(fā)方案， 通過一個集成開發(fā)環(huán)境（ uVision）將這些部分組合在一起。運行 Keil 軟件需要 WIN9 NT、 WIN202 WINXP 等操作系統(tǒng)。如果你使用 C 語言編程，那么 Keil 幾乎就是你的不二之選，即使不使用 C 語言而僅用匯編語言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強大的軟件仿真調試工具也會令你事半功倍。 Keil C51 可以進行 C 語言，匯編語言，的編譯。并可以進行軟件設計與仿真。編譯之后生成的 .HEX 文件可以下載到單片機里面。同時我們也可以配合 Protues仿真軟件進行仿真。這樣可以縮短我們程序的調試時間，及時發(fā)現我們程 序中的不足之處。 系統(tǒng)程序主要由 4 部分組成：鍵盤程序，數碼管顯示程序， PWM 產生程序，轉速測量程序。 在進行單片機控制系統(tǒng)設計時，除了系統(tǒng)硬件設計外，大量的工作就是如何根據每個生產對象的實際需要設計應用程序。因此，軟件設計在控制系統(tǒng)設計中占重要地位 [16]。 （二） PWM 調速程序設計 PWM 調速程序設計 鍵盤向單片機輸入相應控制指令，由單片機通過 與 其中一口輸出與轉速相應的 PWM 脈沖，另一口輸出高電平，驅動 H 型橋式電動機控制電路，實現電動機轉向與轉速的控制。電動機所處速度級以速度檔級數表 示。速度分10 檔，快慢與電動機所處速度級快慢一一對應。 在程序中通過 單片機內部的定時器 1 和定時器 0 產生 PWM，送出預設占空比的 PWM 波形。 PWM（脈沖寬度調制）是一系列周期固定、占空比可調的脈沖系列，由于每個脈沖的高電平時間和低電平時間之和必須等于周期數，所以輸出電平的維持時間必須由定時器來控制 [17]。設 PWM 周期為 T，高電平時間為TH，低電平時間為 TL，電壓為 VCC，則輸出電壓的平均值為： UAV =Vcc*TH/（ TH+TL） =Vcc*TH/T=D*Vcc 當 VCC 固定時，其電壓值取決于 PWM 波形的占 空比 D，而 PWM 的占空比由單片機軟件內部用于控制 PWM 輸出的寄存器值決定。 通過對單片機定時器初始值的不同設置，來實現占空比 PWM 輸出控制。用定時器 T0 完成 PWM 輸出，電機的驅動脈沖頻率為 20HZ，周期 50MS。定時器計數初值為 TH0=0x3C， TL0=0xB0。計數初值 X 計算方法： (65536－ X) =50000，轉換為十六進制： X=15536。 初始化后，除義初始數據外，將定時器 T0 設為工作方式 1， flag 作為電機轉向的標志位， Speed0 和 Speed1 作為速度檔位的標志，應用于后來的加速減速控制。 基于 PID 算法的 PWM 電機調速程序設計改進 PID 控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單，被廣泛應用于過程控制和運動控制中，尤其適用于可建立精確數學模型的確定性控制系統(tǒng)。為了分析簡便，從常規(guī) PID 算 法入手， PI 控制的增量式差分方程為式 （ 1） ， PI 調節(jié)器的輸出可由下式 （ 2） 求得，其中 KP為比例系數： KI為積分系數； Tsam 為采樣周期； △ U(k)=U（ k） U(k1)=Kp[e(k)e(k1)]+K1Tsame(k) （ 1） U(k)=u(k1)+△ u(k) （ 2） PI 調節(jié)器的參數直接影響著系統(tǒng)的性能指標。分析系統(tǒng)過渡過程，在轉速上升時，轉速調 節(jié) 器相當于開環(huán)，此時不必進行積分計算，編程只須考慮比例放 大作用，當轉速上升接近穩(wěn)態(tài)值時，才進行 PI 控制，消除穩(wěn)態(tài)誤差，此時的 P 慮比前階段小 [18]。 常規(guī) PID 控制具有結構簡單、穩(wěn)定性好、易于 編 程實現等優(yōu)點，但該方法過分依賴于控制對象的模型參數，魯棒性較差，對于復雜系統(tǒng)的控制，直流調速系統(tǒng)，其負載、模型參數的 規(guī) 范同變化以及非線性因素的影響，使得常規(guī) PID 控制難以達到 滿意效果。在高性能的調速系統(tǒng)中，僅僅靠調整 P1 參數難以同時滿足各項靜、動態(tài)性能指標。微機數字控制系統(tǒng)具有根強的邏輯判斷 和 數值運算能力，我們應充分應用這些能力，再加上對直流電機和控制規(guī)律的知識，以智能的方式衍生山多種改進算法，提高系統(tǒng)的控制性能。 （三）顯示程序設計 本次采用的是 4 位共陽數碼管動態(tài)顯示，動態(tài)顯示是多個數碼管，交替顯示，利用人的視覺暫留作用使人看到多個數碼管同時顯示。 Y N 圖 22 數碼管顯示流程圖 （四）鍵盤程序設計 鍵盤程序主要是實現電機轉速加，轉速減，啟動與停止，正反轉這些功能。當按鍵未按下時，讀取的是高電平，如果按下，則電平被拉低，當單片機判斷對應的引腳為低電平時則表示有按鍵按下。 在按鍵的過程中